中國(guó)是焦炭生產(chǎn)大國(guó)，大部分的焦化企業(yè)設(shè)備相對(duì)陳舊，同時(shí)焦化產(chǎn)業(yè)粗放型的生產(chǎn)控制模式逐步跟不上現(xiàn)代生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)程，準(zhǔn)確、可靠地全自動(dòng)控制技術(shù)是我國(guó)焦化產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我國(guó)焦化產(chǎn)業(yè)面臨的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了全自動(dòng)熄焦車控制系統(tǒng)。

1.熄焦車全自動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)流程

熄焦車的主要工作是將從焦?fàn)t內(nèi)推出的焦碳運(yùn)送到淋水塔，通過(guò)噴淋高壓氨水將焦炭從1100℃高溫降到接近200℃，再將降溫后的焦炭運(yùn)載至晾焦臺(tái)并卸焦、涼焦。熄焦車主要有接焦、熄焦、卸焦、走行等四個(gè)主要?jiǎng)幼?，根?jù)其時(shí)序關(guān)系，確定了全自動(dòng)熄焦車的工作流程圖,見(jiàn)圖1。

2.控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)分為車載部分和地面部分兩個(gè)部分[1]。車載部分是整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)采集中心、數(shù)據(jù)中心和控制中心。車載部分的嵌入式控機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心工和控制中心，前述的機(jī)車操作記錄和智能操作等功能均在嵌入式工控機(jī)中進(jìn)行。地面部分主要功能分3個(gè)部分。

（1）生產(chǎn)計(jì)劃錄入和機(jī)車狀態(tài)顯示；

（2）外圍系統(tǒng)數(shù)據(jù)融入，中控室PLC通過(guò)光纖通信連接淋水塔系統(tǒng)，I/O點(diǎn)電氣連接采集晾焦臺(tái)信息；

（3）視頻監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，通過(guò)機(jī)車的運(yùn)行視頻來(lái)監(jiān)管熄焦車自動(dòng)運(yùn)行情況。

2.1地面部分控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地面部分控制系統(tǒng)的主要功能由中控室實(shí)現(xiàn)，如計(jì)劃錄入、機(jī)車狀態(tài)顯示等。

（1）位置檢測(cè)系統(tǒng)

位置檢測(cè)系統(tǒng)由地址發(fā)生器，編碼電纜，地址接收箱，地址檢測(cè)器，西門子PLC模塊組成。位置檢測(cè)系統(tǒng)基于感應(yīng)無(wú)線技術(shù)，地址接收箱在編碼電纜某點(diǎn)的位置，將得到一個(gè)特殊的模擬信號(hào)組合，地址檢測(cè)器將該信號(hào)分解成數(shù)字信號(hào)，并送至西門子PLC模塊，為其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)包括工業(yè)通訊（RS-485）和以太網(wǎng)模式（TCP/IP）通訊兩種模式共同組成。兩種通訊方式同時(shí)冗余發(fā)送關(guān)鍵動(dòng)作和限位信號(hào)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)模式（TCP/IP）通訊優(yōu)點(diǎn)為通訊效率高，可以達(dá)到10M/S以上的通訊效率，通常視頻圖像信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都通過(guò)這種方式傳輸。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是包括焦?fàn)t監(jiān)控?cái)z像頭，車載監(jiān)控?cái)z像頭，車載視頻，遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻，視頻處理器和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)組成。

焦?fàn)t攝像頭安裝在焦?fàn)t上，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)熄焦車軌道上的運(yùn)行狀態(tài)。車載監(jiān)控?cái)z像頭監(jiān)控車輛周圍的細(xì)節(jié)情況，視屏處理器負(fù)責(zé)圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換，監(jiān)控視頻承擔(dān)實(shí)施顯示，為人為操作提供支持。視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

（4）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要通過(guò)上位機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面控制PLC，再通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)輸送至車載PLC，車載PLC控制變頻器和電動(dòng)閥的動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作機(jī)車動(dòng)作，完成生產(chǎn)任務(wù)。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

2.2車載控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

車載控制系統(tǒng)的主要設(shè)備為嵌入式工控機(jī)和S7-400HPLC組，子系統(tǒng)有：自動(dòng)走行控制系統(tǒng)、自動(dòng)接焦控制系統(tǒng)、自動(dòng)熄焦控制系統(tǒng)、自動(dòng)卸焦控制系統(tǒng)、故障檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[2]。

（1）嵌入式工控機(jī)

嵌入式工控機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和控制中心。嵌入式工控機(jī)主要記錄和分析機(jī)車操作過(guò)程中所有的歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，來(lái)指導(dǎo)機(jī)車實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化；嵌入式工控機(jī)在獲取推焦計(jì)劃后，能夠根據(jù)推焦計(jì)劃、工藝要求控制機(jī)車完成各項(xiàng)操作。

本文率先將無(wú)線感應(yīng)技術(shù)、自動(dòng)定位技術(shù)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)及工業(yè)以太網(wǎng)綜合應(yīng)用于熄焦車全自動(dòng)控制系統(tǒng)上，解決了焦化惡劣環(huán)境下車輛全自動(dòng)控制的瓶頸問(wèn)題。

（2）冗余S7-400HPLC組

S7-400H是按冗余方式設(shè)計(jì)的，可以在任何事件發(fā)生后繼續(xù)使用。S7-400HPLC組所有的主要器件都是雙重的，按照方案設(shè)計(jì)成雙重器件的有：中央處理器CPU電源模板PS40710A以及連接兩個(gè)中央處理器的硬件CPU417-4H、通信模塊CP443-1。

CPU故障后，備份CPU與主CPU同步連接自動(dòng)建立，備份CPU發(fā)出Link-up請(qǐng)求，主站在禁止刪除、拷貝和生成塊功能后將所有數(shù)據(jù)發(fā)送給備份CPU。主站運(yùn)行用戶程序，在禁止所有報(bào)警和中斷后向已Link-up的備份CPU發(fā)送上次更新后發(fā)生改變的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）自動(dòng)走行控制系統(tǒng)

自動(dòng)走行控制系統(tǒng)主要通過(guò)車載控制PLC控制變頻器，變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整走行速度。

根據(jù)車輛的工作流程，計(jì)算出熄焦車自動(dòng)走行的目標(biāo)位置。通過(guò)位置檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)出當(dāng)前所在位置。計(jì)算出兩者的位置差異。通過(guò)PLC程序控制變頻器的工作頻率實(shí)現(xiàn)熄焦車的自動(dòng)行走，走行過(guò)程中由于位置檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)刻更新當(dāng)前位置值，通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)不斷修正走行頻率，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)位的功能。

自走行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)6所示。

（4）自動(dòng)接焦控制系統(tǒng)

自動(dòng)接焦控制系統(tǒng)主要是通過(guò)車載PLC、限位開(kāi)關(guān)、位置檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)完成。當(dāng)全自動(dòng)熄焦車到達(dá)接焦位置時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)是否到達(dá)設(shè)定位置、熄焦車門關(guān)閉信號(hào)，并通過(guò)通訊系統(tǒng)檢測(cè)其他設(shè)備是否準(zhǔn)備完畢，然后發(fā)送允許推焦信號(hào)到地面中控PLC系統(tǒng)中。自動(dòng)接焦熄焦控制系統(tǒng)結(jié)見(jiàn)圖7所示。

（5）自動(dòng)熄焦控制系統(tǒng)

自動(dòng)熄焦控制系統(tǒng)主要是通過(guò)車載PLC，地面控制PLC、淋水塔控制PLC、位置檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)完成。

由于車內(nèi)為1100℃的高溫焦炭，控制信號(hào)從發(fā)出到水閥完全打開(kāi)，氨水從蓄水罐到噴嘴噴出，會(huì)有5-10s延時(shí)。所以位置檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出全自動(dòng)熄焦車在離熄焦塔10m位置處，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)給水泵，保證熄焦車進(jìn)入淋水塔時(shí)，淋水塔內(nèi)的熄焦噴嘴已經(jīng)開(kāi)始噴水。設(shè)定的淋水程序完成，再自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài)。自動(dòng)淋水熄焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8所示。

（6）自動(dòng)卸焦控制系統(tǒng)

自動(dòng)卸焦控制系統(tǒng)主要是通過(guò)車載PLC，地面控制PLC,晾焦臺(tái)控制PLC、位置檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)完成[3]。

卸焦區(qū)域一般有三段位置輪流放焦，根據(jù)晾焦臺(tái)內(nèi)剩余焦炭的情況，決定本次卸焦的編號(hào)。由于卸焦臺(tái)比車斗長(zhǎng)，且要求焦炭均勻放至于卸焦臺(tái)上，所以要求卸焦過(guò)程中以適當(dāng)?shù)牡退傩凶?。根?jù)下?tīng)t出焦的計(jì)劃時(shí)間，決定進(jìn)入休息狀態(tài)還是直接進(jìn)入下一輪的接焦?fàn)顟B(tài)。自動(dòng)卸焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9所示。

（7）故障檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

故障檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控所有系統(tǒng)的運(yùn)行情況并提示報(bào)警。

位置檢測(cè)系統(tǒng)：檢測(cè)的位置數(shù)據(jù)不連續(xù)，或者位置檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)數(shù)據(jù)。及時(shí)報(bào)警，停止自動(dòng)操作跳到人工操作。

自動(dòng)走行系統(tǒng)：檢測(cè)車輛在自動(dòng)走行過(guò)程中，通過(guò)位置檢測(cè)系統(tǒng)，查詢是否行走，行走方向是否正確，如有異常退出自動(dòng)走行。

自動(dòng)接焦控制系統(tǒng)：檢測(cè)設(shè)備車斗車門關(guān)閉信號(hào)，如果長(zhǎng)時(shí)間不能關(guān)閉，或者關(guān)閉信號(hào)故障，則停止自動(dòng)推焦，提示報(bào)警。

自動(dòng)淋水熄焦控制系統(tǒng)：當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，如果長(zhǎng)時(shí)間無(wú)反饋信號(hào)到PLC系統(tǒng)，則判斷自動(dòng)淋水熄焦系統(tǒng)故障，需要人為干預(yù)。

自動(dòng)卸焦控制系統(tǒng)：當(dāng)熄焦車到達(dá)卸焦臺(tái)區(qū)域后，如果長(zhǎng)時(shí)間無(wú)反饋卸焦臺(tái)運(yùn)行信號(hào)到PLC系統(tǒng)，則判斷自動(dòng)卸焦控制系統(tǒng)故障，需要人為干預(yù)。

3.總結(jié)

熄焦車全自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)借助于目前工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，基于自動(dòng)化行業(yè)“檢測(cè)感知+高效通訊+數(shù)字組網(wǎng)+智能控制+協(xié)同輸出+有效反饋”的幾個(gè)要點(diǎn)，以及“統(tǒng)一管理+分散控制”的原則，以實(shí)現(xiàn)熄焦車設(shè)備全自動(dòng)操作為最終目的。